酵母菌是酒类酿造过程中的重要微生物,酿酒酵母(Saccharomyces cerevisiae)通过自身代谢将葡萄糖转化为乙醇和二氧化碳,是酿造的发酵动力也是酒体中乙醇的主要来源[1];非酿酒酵母(non-Saccharomyces cerevisiae)产乙醇能力相对较弱,但其代谢产物对产品的香气及品质具有重要影响。随着对非酿酒酵母生香特性的深入研究,酿酒酵母与非酿酒酵母混菌发酵作为提升发酵酒精饮品风味多样性和增强风味的重要途径,在酿酒工业广受关注。
目前在进行酵母选择时,更多考虑其为最终产品带来的芳香特征和风味。东方伊萨酵母能产生更多的高级醇等物质,其与酿酒酵母混合发酵有助于降低挥发性酸浓度并提高酒体质量[2-3],刘超帝等[4]发现来自白云边酒醅中的东方伊萨酵母除具有较强的产乙醇能力外,还具有耐酸性好,产酸、产酯能力强的特点,对浓酱兼香型白酒的形成具有重要作用。在多种香型白酒的酿造过程中分离出发酵毕赤酵母[5-6]。Clemente-Jimenez等[7]研究发现发酵毕赤酵母在顺序接种发酵后提高了乙酸乙酯、1-丙醇、正丁醇、1-己醇、癸酸乙酯等挥发性成分的含量。Domizio等[8]发现毕赤酵母属酵母在产酯类物质方面有较显著优势,尤其是在提高乙酸乙酯和乙酸异戊酯方面较为突出。
本研究在对新疆托木尔峰白酒酿造过程中酵母菌分离、鉴定的基础上,以高粱为培养基基质,对东方伊萨酵母和发酵毕赤酵母进行耐受性研究,并分别与酿酒酵母混合发酵,对其增香特性进行分析。目的在于探究2株非酿酒酵母与酿酒酵母混合发酵的增香特性,为非酿酒酵母应用于提升发酵酒精饮品的风味品质提供参考。
酿酒酵母S.cerevisiae S15、东方伊萨酵母Issatchenkio orientalis F10、发酵毕赤酵母Pichia fermentans F8:均选自新疆乌什县托木尔峰老窖窖池,保藏于南疆特色农产品深加工兵团重点实验室。
磷酸二氢钾、氯化钾、氯化钙、硫酸锰、硫酸镁(均为分析纯):天津市致远化学试剂有限公司;氯化铁、溴甲酚绿(均为分析纯):上海山浦化工有限公司;无水葡萄糖、环己酮(均为分析纯):天津市北联精细化学品开发有限公司;蛋白胨、酵母浸粉、琼脂(均为分析纯):北京奥博星生物技术有限责任公司。
LE203E/02电子天平:梅特勒-托利多有限公司;SW-CJ-2FD超净工作台:上海博迅实业有限公司医疗设备厂;HPX-9162MBE电热恒温培养箱:上海安亭科学仪器厂;LDZF-50KB-Ⅱ立式压力蒸汽灭菌锅:上海申安医疗器械厂;PHS-25型pH计:上海仪电科学仪器股份有限公司;GC-2014C型气相色谱仪:日本岛津公司;7890B-7000D气相色谱-质谱联用仪:美国安捷伦公司。
1.3.1 培养基的配制
酵母浸出粉胨葡萄糖(yeast extract peptone dextrose medium,YPD)液体培养基:葡萄糖20 g,酵母浸粉10 g,蛋白胨20 g,用蒸馏水定容至1 L;YPD固体培养基:在YPD液体培养基的基础上添加琼脂2% ;WL营养琼脂培养基参考周洪江等[9]的方法制备;高粱浸出液培养基(sorghum hydrolyzate medium,SHM)参考Fan等[10]的方法制备。
YPD液体培养基和固体培养基115℃灭菌15min,其他培养基121℃灭菌20 min。
1.3.2 试验处理
活化后的酵母菌同比例混合接种于装有100 mL灭菌SHM培养基的锥形瓶中,纯培养酵母菌作为纯培养对照,28℃恒温培养,接种量为5×106CFU/mL。接种方式见表1。
表1 2种非酿酒酵母接种方式
Table 1 Two inoculation methods of non-Saccharomyces cerevisiae
注:-表示不添加该菌。
组别 发酵液样编号 酿酒酵母 非酿酒酵母 添加方式对照组 CK S.cerevisiae S15 - SHM培养基灭菌后,分别加入等量的非酿酒酵母和酿酒酵母A组 C1 - I.orientalis F10 C2 - P.fermentans F8 B组 M1 S.cerevisiae S15 I.orientalis F10 SHM培养基灭菌后加入非酿酒酵母,48 h后以体积比1∶1添加酿酒酵母M2 S.cerevisiae S15 P.fermentans F8
1.3.3 生长曲线测定
参考孔垂琴等[11]的方法,略作改动,按5% 接种量接种培养,于YPD液体培养基中28℃、150 r/min培养48 h,每2 h取发酵液测定600 nm处的吸光度OD600nm,重复3次,绘制生长曲线。
1.3.4 乙醇耐受性测定
将种子液以5% 的接种量分别接种到含有0% 、2% 、4% 、6% 、8% 、10% 、12% 、14% 、16% 乙醇的 YPD 液体培养基中,以不接种菌的培养基作为空白对照,28℃培养48 h,测定发酵液600 nm处的吸光度OD600nm。每个样品重复测定3次。
1.3.5 pH值耐受性测定
种子液以5% 的接种量接种至pH值为2.0、2.5、3.0、3.5、4.0、4.5、5.0、5.5、6.0、6.5 的 YPD 液体培养基中,以不接种菌的培养基作为空白对照,28℃培养48 h,测定发酵液600 nm处的吸光度OD600nm。每个样品重复测定3次。
1.3.6 理化指标测定
pH值采用pH计测定;酒精度的测定参考Liu等[12]的方法,采用气相色谱法进行;还原糖含量参考陈瑾[13]的方法,采用 3,5-二硝基水杨酸(3,5-dinitrosalicylic acid,DNS)比色法测定;总酸含量参考焦媛媛[14]的方法,采用酸碱滴定法测定;总酯含量参考李婷[15]的方法,采用皂化中和法测定。
1.3.7 挥发性成分测定
挥发性成分测定参考侯晓杰[16]的方法,使用顶空固相微萃取-气相色谱-质谱联用(headspace solid-phase microextraction-gas chromatography-mass spectrometry,HS-SPME-GC-MS)技术对发酵液香气成分进行。
定性方法:利用质谱自带的NIST 17数据库进行检索,结合相关文献分析谱图来确定香气物质。
定量方法:采用内标法,以环己酮作为内标物对发酵液挥发性成分进行定量分析,利用标准物质的浓度和峰面积计算出挥发性物质的相对含量。计算公式如下。
采用软件Origin 9.1作图,SPSS 24.0统计分析软件进行数据处理。样品中挥发性成分的鉴定通过GCMS联用仪自带分析软件、定性软件(NIST 17数据库)完成。数据以平均值±标准差表示。
非酿酒酵母和酿酒酵母在YPD液体培养基中的生长变化情况见图1。
图1 非酿酒酵母和酿酒酵母在YPD液体培养基中的生长变化情况
Fig.1 Growth and changes of non-Saccharomyces cerevisiae and Saccharomyces cerevisiae in YPD liquid medium
由图1可知,在纯种发酵中酿酒酵母的生长速率较2株非酿酒酵母快,4 h进入对数生长期,18 h进入稳定期;东方伊萨酵母和发酵毕赤酵母6 h进入对数生长期,分别在20 h和22 h进入稳定期。在对数生长期,东方伊萨酵母生长速率略高于发酵毕赤酵母。与2株非酿酒酵母相比,酿酒酵母到达稳定期的时间更短,稳定期长。在混菌体系中,2株非酿酒酵母表现出相似的生长趋势,稳定期内,2株非酿酒酵母混菌发酵OD600nm略低于酿酒酵母纯种发酵OD600nm。说明2株非酿酒酵母可以在混菌发酵中发挥自身优势,与酿酒酵母协同完成发酵。
乙醇含量对非酿酒酵母和酿酒酵母生长的影响见图2。
图2 乙醇含量对非酿酒酵母和酿酒酵母生长的影响
Fig.2 Effect of ethanol content on the growth of non-Saccharomyces cerevisiae and Saccharomyces cerevisiae
由图2可知,在乙醇含量为2%~10% 的培养基中,3株酵母均能生长。当乙醇含量为4%~10% 时,3株酵母的OD600nm下降幅度较大。当乙醇含量增至10% 时,2株非酿酒酵母生长受到抑制,而酿酒酵母在乙醇含量为14% 时受到抑制,酿酒酵母的乙醇耐受性强于2株非酿酒酵母。作为混酿菌株,本研究中的2株非酿酒酵母较于洋等[17]和张文文等[2]研究中的非酿酒酵母,耐乙醇能力更强,能耐受10% 的乙醇,表明2株非酿酒酵母能充分发挥自身的产香优势。
pH值对非酿酒酵母和酿酒酵母生长的影响见图3。
图3 pH值对非酿酒酵母和酿酒酵母生长的影响
Fig.3 Effect of pH on the growth of non-Saccharomyces cerevisiae and Saccharomyces cerevisiae
由图3可知,在pH值为2.0~6.5时,3株酵母的OD600nm呈现出先升高后降低的趋势。在pH2.0~4.5时,东方伊萨酵母和酿酒酵母的OD600nm增长幅度较小;在pH4.0~5.0时,发酵毕赤酵母的OD600 nm大幅上升;在pH5.0时,3株酵母的OD600 nm均为最大;在pH5.0~6.5时,3株酵母菌的OD600nm下降至0.9左右。综上,pH2.0时酵母菌呈现弱生长,3株酵母菌的OD600nm均在0.8以上,表明3株酵母菌能耐受pH2.0并保持其生物活性。
发酵液基本理化指标如表2所示。
表2 发酵液基本理化指标
Table 2 Basic physical and chemical indexes of fermentation broth
注:同列不同字母表示差异显著,P<0.05。
发酵液编号 pH值 酒精度/% vol总酯含量/(g/L)CK 3.06±0.07a22.25±0.31a4.23±0.20b4.70±0.23b5.63±0.08d C1 3.33±0.08a8.17±0.51c8.70±0.03a3.75±0.21b9.97±0.59b C2 3.48±0.02a14.58±0.39b8.70±0.09a3.61±0.21bc5.37±0.27d M1 3.40±0.01a14.54±0.30b8.69±0.08a6.00±0.12a11.56±0.35a M2 3.50±0.04a13.50±0.60bc7.66±0.14a2.60±0.14c6.63±0.32c还原糖含量/(g/L)总酸含量/(g/L)
由表2可知,非酿酒酵母各组发酵终点(8 d时)pH值无显著差异(P>0.05),但均高于对照组。非酿酒酵母单菌和混菌后的酒精度均低于对照组,与CK组相比,东方伊萨酵母和发酵毕赤酵母混菌后酒精度分别降低了34.65% 和39.33% 。各组发酵终点(8 d时)还原糖含量显著高于对照组(P<0.05)。东方伊萨酵母混菌发酵总酸含量是酿酒酵母单菌发酵的1.28倍;与对照组相比,混菌发酵较单菌发酵总酯含量升高,其中,东方伊萨酵母混菌发酵提高了105.33% ,发酵毕赤酵母混菌发酵提高了17.76% ,研究结果与杨婕等[18]和García等[19]的研究结果相近,混菌有利于酒体总酯含量的提高。
采用GC-MS对发酵液进行挥发性风味物质测定,结果如表3所示。
表3 发酵液中各种挥发性成分质量浓度
Table 3 Mass concentration of various volatile components in fermentation broth
项目 物质名称 时间 质量浓度/(mg/L)C1 C2 CK M1 M2醇类(10) 3-硝基-2-丁醇 6.448 0.182±0.011 - - - -异戊醇 8.660 13.501±2.713 10.660±0.566 0.019±0.001 4.909±0.253 16.309±0.581 2,3-丁二醇 17.618 - - - - 0.297±0.022(2R,3R)-(-)-2,3-丁二醇 18.633 - 0.448±0.144 0.749±0.239 - 0.266±0.011 3-甲硫基丙醇 22.986 0.138±0.141 0.258±0.010 - 0.127±0.120 0.253±0.073苯乙醇 29.463 41.631±4.001 52.455±5.208 47.559±1.787 22.534±3.075 54.000±4.179里哪醇 40.464 - 0.051±0.166 - - 0.137±0.112金合欢醇 43.006 0.259±0.130 0.397±0.232 - 0.182±0.175 -十九烷醇 43.715 0.290±0.235 0.293±0.041 0.192±0.010 0.209±0.041 0.169±0.113正二十二醇 49.928 - 0.385±0.152 - - -酯类(26) 乙酸乙酯 4.251 13.092±1.722 10.034±1.241 5.188±1.304 15.985±1.127 12.258±0.911丙酸乙酯 4.819 0.096±0.029 - - - -丁酸异丙基酯 5.654 0.120±0.011 - - - -乙酸异戊酯 6.801 0.136±0.145 - 0.404±0.110 0.105±0.085 -
续表3 发酵液中各种挥发性成分质量浓度
Continue table 3 Mass concentration of various volatile components in fermentation broth
注:-表示物质未检出。
项目 物质名称 时间 质量浓度/(mg/L)C1 C2 CK M1 M2酯类(26) 己酸乙酯 8.919 0.133±0.042 0.001±0.000 0.150±0.016 0.057±0.030 -3-己烯酸乙酯 10.287 0.023±0.016 - - 0.046±0.011 -辛酸乙酯 13.941 0.088±0.031 - - 0.606±0.011 0.067±0.021甲酸甲酯 15.157 - - - 5.631±0.210 -2,4-己二烯酸乙酯 16.282 0.156±0.010 - - 0.059±0.000 -癸酸乙酯 20.273 0.293±0.087 - 0.246±0.041 1.363±0.063 -十九烷酸乙酯 19.458 - 0.033±0.000 - - -反油酸乙酯 21.386 - 0.009±0.000 - - -乙酸苯乙酯 26.326 1.228±0.171 1.472±0.221 3.877±0.103 0.930±0.088 2.464±0.110月桂酸乙酯 27.132 0.714±0.052 0.067±0.010 0.161±0.110 1.695±0.132 0.042±0.010 3-苯丙酸乙酯 28.348 - - - 0.029±0.000 -肉豆蔻酸异丙酯 33.479 0.007±0.000 - - - -肉豆蔻酸乙酯 33.865 0.237±0.072 0.011±0.000 - 0.113±0.010 0.036±0.000棕榈酸异丙酯 39.760 0.952±0.014 0.013±0.000 0.547±0.001 0.295±0.010 0.419±0.001棕榈酸乙酯 40.197 1.164±0.075 2.157±0.011 2.455±0.086 1.569±0.110 1.605±0.034 9-十六碳烯酸乙酯 40.968 0.069±0.001 0.026±0.000 0.039±0.000 0.083±0.002 0.090±0.002辛酸苯乙酯 43.860 - - 0.064±0.000 - -硬脂酸异丙酯 45.630 0.986±0.091 0.000±0.000 0.133±0.021 - 0.067±0.000硬脂酸乙酯 46.114 - 0.316±0.001 0.575±0.010 0.005±0.000 0.282±0.030油酸乙酯 46.700 0.022±0.001 0.059±0.001 0.044±0.002 - 0.066±0.001亚油酸乙酯 48.230 0.173±0.010 0.207±0.000 0.182±0.000 0.247±0.080 0.141±0.000亚麻酸乙酯 50.268 0.076±0.000 0.000±0.000 - - -酸类(14) 乙酸 14.657 3.389±0.110 - - - 1.456±0.054 3,5-二甲氧基肉桂酸 3.924 - 0.006±0.000 - - -异丁酸 18.190 0.233±0.002 0.477±0.001 - - -2-甲基己酸 21.532 - 0.229±0.000 - 0.336±0.001 0.202±0.000异戊酸 21.465 0.550±0.072 - - - -正己酸 27.285 0.521±0.010 0.316±0.000 1.607±0.071 - 0.059±0.000庚酸 27.291 - - - 0.885±0.040 -辛酸 34.201 2.023±0.092 2.294±0.112 15.576±1.070 13.132±0.622 1.498±0.080叶酸 35.194 - - - - 0.005±0.000正癸酸 40.694 2.710±0.101 0.586±0.060 8.999±1.113 19.564±1.031 -9-癸烯酸 42.476 - 0.257±0.010 0.582±0.010 0.056±0.000 -月桂酸 46.808 2.028±0.102 0.952±0.050 0.349±0.010 4.347±0.088 -9-十六碳烯酸 60.070 - - - - 0.111±0.000油酸 60.053 - 0.048±0.000 0.010±0.000 - -其他(11) 2,4-二甲基苯甲醛 26.388 0.776±0.092 - - 0.878±0.011 -椰子醛 33.360 0.300±0.010 - - - -桃醛 33.329 - - - 0.180±0.000 -2-甲基环戊酮 10.803 - - 0.002±0.000 - -2-羟基-5-甲基苯乙酮 38.444 - 0.229±0.020 - - -4,6-二叔丁基间甲酚 35.389 0.139±0.010 - 0.042±0.000 - -2-叔丁基对甲酚 39.403 - - - - 0.616±0.010 2,4-二叔丁基苯酚 41.794 9.860±0.147 3.410±1.100 4.191±0.190 3.599±0.078 2.925±0.141 2,6-二叔丁基对甲酚 29.057 - 0.076±0.000 0.063±0.000 0.232±0.010 0.054±0.000 2,3-二氢苯并呋喃 44.178 - - 0.041±0.000 - -1-氯戊烷 9.096 - - 0.313±0.020 - -
由表3可知,与CK组比,东方伊萨酵母混菌发酵后明显提高了异戊醇、十九烷醇、乙酸乙酯、癸酸乙酯、月桂酸乙酯、9-十六碳烯酸乙酯、亚油酸乙酯、正癸酸、月桂酸、2,6-二叔丁基对甲酚10种挥发性成分含量;发酵毕赤酵母混菌发酵后明显提高了异戊醇、苯乙醇含量。
2.5.1 醇类物质
醇类物质是酵母的主要代谢产物,对酒体挥发性风味的产生具有重要作用。高级醇含量过少使酒体风味寡淡,含量过高会有辛辣、苦涩的不悦感。由表3可知,东方伊萨酵母和发酵毕赤酵母经混菌培养后,带有生土豆味、脂肪味的3-甲硫基丙醇含量分别减少了7.97% 和1.94% 。发酵毕赤酵母混菌发酵后与其单菌发酵相比异戊醇含量提高了52.99% 、具有玫瑰香味的苯乙醇含量提高了2.95% ,与Dutraive等[20]和李毅丽等[21]的研究结果一致,苯乙醇含量提升对酒体风格有积极影响。
2.5.2 酯类物质
酯类物质是构成花果香的主体物质,在酒体香气组成中占有重要地位[22]。由表3可知,东方伊萨酵母和发酵毕赤酵母分别与S15混菌发酵后,与CK组相比乙酸乙酯含量分别提高了2.08倍和1.36倍,与Kong等[23]的研究结果一致,混菌发酵有利于提升乙酸乙酯含量。东方伊萨酵母混菌发酵提高了具有玫瑰香、蜂蜜香、梨香的癸酸乙酯和具有花香、果香的月桂酸乙酯含量,分别比CK组提高了454.07% 和952.80% 。本研究中东方伊萨酵母混菌发酵产生了具有果香的己酸乙酯、甜香的甲酸甲酯和蜡香的亚油酸乙酯,发酵毕赤酵母混菌发酵产生了具有果香、葡萄香的辛酸乙酯,这与Muñoz-Redondo等[24]利用顺序接种发酵玫瑰葡萄酒增加酯类物质种类和含量的研究结果一致,非酿酒酵母参与发酵可明显增加酯类物质的含量和种类。
2.5.3 酸类及其他类物质
酸类物质是酒中重要的风味物质,具有调节发酵酒精饮料口感的作用[25],也是酯类物质的前体物质。研究发现不同非酿酒酵母参与混菌发酵后往往会对挥发酸的含量产生影响[26-27]。
由表3可知,与对照组相比,东方伊萨酵母混菌发酵后正癸酸和月桂酸的含量分别提高了1.17倍和11.46倍,并检测出具有脂肪香的庚酸含量为0.885 mg/L。发酵毕赤酵母混菌发酵后,具有强烈酸味的辛酸降低了940% ,结果表明混菌发酵明显降低了辛酸的含量。2株不同非酿酒酵母在混菌体系中对酸类物质的影响作用差异较大。在其他挥发性物质中,具有强烈桃子香气的桃醛仅在东方伊萨酵母混菌发酵中检出,其含量为0.180 mg/L。
本研究对优选自新疆托木尔峰白酒酿造过程中的2株非酿酒酵母和1株酿酒酵母,进行生长曲线及耐受性测定,在此基础上进行混菌发酵。与单菌发酵相比,东方伊萨酵母与酿酒酵母的混合发酵能明显提升总酸(6.00 g/L)和总酯(11.56 g/L)含量。
与对照组相比,东方伊萨酵母混菌发酵使乙酸乙酯提高了2.08倍,使具有玫瑰香、蜂蜜香和梨香的癸酸乙酯提高了454.07% ,正癸酸和月桂酸分别提高了1.17倍和11.46倍。具有强烈桃子香气的桃醛只在东方伊萨酵母混菌发酵中检测出,含量为0.180 mg/L;发酵毕赤酵母混菌发酵使乙酸乙酯提高了1.36倍,使具有蜜香玫瑰味、白兰地味的苯乙醇和异戊醇提高了2.95% 和52.99% ,并降低了产生的辛酸含量。
将酿酒酵母与东方伊萨酵母和发酵毕赤酵母进行单独和混菌发酵,发现混菌发酵优于单菌发酵。在保证酵母发酵性能不变的前提下,能有效地利用发酵液中的酸类物质和高级醇,合成更多的酯类化合物,明显提高了发酵产品的风味特征,揭示了东方伊萨酵母和发酵毕赤酵母在发酵中的作用,为非酿酒酵母提升白酒香气和改善品质方面的应用潜力提供参考。
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